EP0103089B1 - Mehrkoordinaten-Tastkopf - Google Patents

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EP0103089B1
EP0103089B1 EP83106421A EP83106421A EP0103089B1 EP 0103089 B1 EP0103089 B1 EP 0103089B1 EP 83106421 A EP83106421 A EP 83106421A EP 83106421 A EP83106421 A EP 83106421A EP 0103089 B1 EP0103089 B1 EP 0103089B1
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sensing
pin
probe
stylus
sensing pin
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Kurt Feichtinger
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Dr Johannes Heidenhain GmbH
Original Assignee
Dr Johannes Heidenhain GmbH
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B7/00—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques
    • G01B7/004—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring coordinates of points
    • G01B7/008—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring coordinates of points using coordinate measuring machines
    • G01B7/012—Contact-making feeler heads therefor

Definitions

  • the invention relates to a so-called multi-coordinate probe according to the preamble of claim 1.
  • Such probe devices are used in conjunction with coordinate measuring machines and also in numerically controlled processing machines. They are used to record workpiece / tool dimensions.
  • DE-B 1 932010 may be mentioned, which has a probe head in which the stylus is supported in the manner of a ball joint, and which has an axially displaceably mounted socket on its end opposite the probe contact, which is connected to a transducer acts so that each deflection of the stylus in the axial and radial directions results in an axial displacement of the socket, which is registered by the transducer.
  • the socket represents a translation cone, with the help of which the deflection movements of the stylus are in any case converted into an axial movement.
  • the deflections of the stylus are made possible by bearing shells - one of which is axially movable - in cooperation with a spherical bearing element on the stylus.
  • DE-A 2712181 shows multi-coordinate probes of various designs. A photoelectric device that triggers a measurement signal is also described there.
  • a probe which emits an electrical signal when the workpiece is touched, which is caused by the closing of an electrical circuit between the electrically conductive workpiece and the probe.
  • the stylus of this probe has a spherical contact surface and is mounted on its end located inside the probe housing so as to be linearly displaceable in a cylindrical socket. When the stylus is deflected, the stylus end opposite the spherical contact surface is shifted coaxially.
  • the stylus also has a flange in the interior of the stylus housing, the peripheral edge of which is supported and tilts at the bottom of the stylus housing when the stylus is radially deflected.
  • the stylus is displaced radially on a tilting edge on the flange, which results in a coaxial migration of the radially bound stylus end.
  • the stylus When it returns to the zero position caused by a return spring, the stylus then assumes a central position again, since its radially tied end determines the position in the X / Y coordinates.
  • the end face of the flange serves as a stop in the axial Z direction. The latter probe is unusable if an electrically non-conductive workpiece is touched, i.e. should be measured.
  • the object of the invention is to create a universally usable, mechanically simple and reliable working probe, which does not have the disadvantages of the known probes.
  • the particular advantages of the probe according to the invention lie in the simple structure, the reliable triggering of the deflection signal, the good reproducibility of this signal and the low susceptibility to interference.
  • the probe head 1 shown in FIG. 1 has a multi-part holding device 2, by means of which it is fastened in a spindle, not shown, of a measuring or processing machine, also not shown.
  • the probe 1 consists of a probe housing 3 and a probe pin 4 movably mounted in the probe housing 3, which is pushed into its zero position by the restoring force of a spring 5.
  • An end 6 of the stylus 4 located in the interior of the probe housing 3 is radially tied up in the manner of a ball joint 7, but is displaceably mounted in a cylindrical guide 8 in the probe housing 3 in the axial direction.
  • the evaluation is carried out by a light source 15, which illuminates a differential photo element 18 on the other side of the stylus 4 through the stylus 4 - which has an opening 16 with a cylindrical lens 17.
  • the differential photo element 18 is illuminated exactly symmetrically by the lens 17.
  • the lighting symmetry changes, and the difference tial photo element 18 generates an output signal change, which is recognized by an electronic evaluation device as a trigger signal.
  • This trigger signal can be used in a known manner to control a measured value counter, for example to stop or to transfer the measured value to a memory.
  • the stylus 4 When the contact between stylus 4 and workpiece 11 is released again, under the action of the restoring force of the spring 5, the stylus 4 is in its zero position.
  • the precisely defined zero position is ensured by the cone 12 in the bore 13 in all three coordinate directions.
  • the cone 12 centers the stylus 4 and also defines the exact position of the probe ball 10 in relation to the position of the stylus in the probe housing 3 in the Z direction.
  • An anti-rotation device 19 shown in FIG. 1 prevents rotation of the stylus 4 in the probe housing 3.
  • the stylus 4 can be provided with another rotationally symmetrical molded part, for example with a cylindrical projection 20.
  • the counter surface producing the conical jacket 21 would then have to be provided in the probe housing base 3 ', as shown in FIG. 3.
  • FIG. 1 Another variant of the probe according to FIG. 1 is shown in FIG.
  • the essentially identical elements are identified by the same reference numerals with the supplementary reference number “4”.
  • the molded parts for implementing the radial deflection of the stylus 44 in an axial direction and for centering the free end 94 of the stylus are represented here by a spherical projection 124.
  • This approach 124 rests on a number of balls 134, which are evenly distributed in a ring over the inner circumference of the probe housing 34.

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Length Measuring Devices With Unspecified Measuring Means (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
  • A Measuring Device Byusing Mechanical Method (AREA)
  • Electrophonic Musical Instruments (AREA)

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf einen sogenannten Mehrkoordinaten-Tastkopf gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Derartige Tasteinrichtungen werden in Verbindung mit Koordinatenmessmaschinen und auch in numerisch gesteuerten Bearbeitungsmaschinen eingesetzt. Sie dienen zur Erfassung von Werkstück-/Werkzeugabmessungen.
  • Stellvertretend für Messeinrichtungen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sei die DE-B 1 932010 genannt, die einen Tastkopf aufweist, bei dem der Taststift kugelgelenkartig gelagert ist, und der an seinem dem Tastkontakt gegenüberliegenden Ende eine axial verschiebbar gelagerte Buchse aufweist, die auf einen Messwertwandler einwirkt, so dass jede Auslenkung des Taststiftes in axialer sowie in radialer Richtung eine Axialverschiebung der Buchse zur Folge hat, was durch den Messwertwandler registriert wird. Die Buchse stellt einen Übersetzungskonus dar, mit dessen Hilfe die Auslenkbewegungen des Taststiftes in jedem Fall in eine Axialbewegung umgewandelt werden. Die Auslenkungen des Taststiftes werden durch Lagerschalen - von denen eine axial beweglich ist - im Zusammenwirken mit einem sphärischen Lagerelement am Taststift ermöglicht.
  • In der DE-A 2712181 sind Mehrkoordinaten-Tastköpfe der verschiedensten Bauformen gezeigt. Auch eine lichtelektrisch arbeitende, ein Messignal auslösende Einrichtung ist dort beschrieben.
  • Eine optoelektronische Messeinrichtung ist auch in der US-A 4114 280 beschrieben, die einen Einkoordinaten-Tastkopf zeigt.
  • Aus der GB-PS 1 599 758 ist ferner ein Tastkopf bekannt, der ein elektrisches Signal bei Werkstückberührung abgibt, das durch das Schliessen eines elektrischen Kreises zwischen elektrisch leitfähigem Werkstück und Tastkopf hervorgerufen wird. Der Taststift dieses Tastkopfes weist eine sphärische Antastfläche auf und ist an seinem innerhalb des Tastkopfgehäuses befindlichen Ende linearverschieblich in einer zylindrischen Buchse gelagert. Bei Auslenkungen des Taststiftes wird das der sphärischen Antastfläche gegenüberliegende Taststiftende koaxial verschoben. Der Taststift weist ferner im Innern des Taststiftgehäuses einen Flansch auf, dessen Umfangskante sich bei radialer Auslenkung des Taststiftes am Boden des Taststiftgehäuses abstützt und kippt. Auf einer Kippkante am Flansch wird der Taststift dabei radial verschoben, was ein koaxiales Auswandern des radial gefesselten Taststiftendes zur Folge hat. Bei seiner durch eine Rückstellfeder bewirkten Rückkehr in die Nullage nimmt der Taststift dann wieder eine zentrische Lage ein, da sein radial gefesseltes Ende die Lage in den X-/Y-Koordinaten bestimmt. Die Stirnfläche des Flansches dient dabei als Anschlag in der axialen Z-Richtung. Der letztgenannte Tastkopf ist unbrauchbar, wenn ein elektrisch nicht leitfähiges Werkstück angetastet, d.h. bemessen werden soll.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, einen universell einsetzbaren, mechanisch einfach aufgebauten und zuverlässig arbeitenden Tastkopf zu schaffen, der jedoch nicht die Nachteile der bekannten Tastköpfe aufweist.
  • Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst.
  • Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Tastkopfes ist im Anspruch 2 angegeben.
  • Die besonderen Vorteile des erfindungsgemässen Tastkopfes liegen in dem einfachen Aufbau, in der sicheren Auslösung des Auslenkungssignales, in der guten Reproduzierbarkeit dieses Signales und in der geringen Störanfälligkeit.
  • Ein Ausführungsbeispiel wird anhand der Figuren noch näher erläutert. Es zeigt:
    • Figur 1 den schematischen Aufbau eines Tastkopfes in Längsschnitt,
    • Figur 2 einen Schnitt durch den Tastkopf entlang der Linie 11-11,
    • Figur 3 eine Variante des Tastkopfaufbaus,
    • Figur 4 eine weitere Variante des Tastkopfes.
  • Der in Figur 1 gezeigte Tastkopf 1 weist eine mehrteilige Aufnahmevorrichtung 2 auf, mittels der er in einer nicht dargestellten Spindel einer ebenfalls nicht dargestellten Mess- oder Bearbeitungsmaschine befestigt wird. Der Tastkopf 1 besteht aus einem Tastkopfgehäuse 3 und einem im Tastkopfgehäuse 3 beweglich angebrachten Taststift 4, der durch die Rückstellkraft einer Feder 5 in seine Nullage gedrängt wird. Ein im Innern des Tastkopfgehäuses 3 befindliches Ende 6 des Taststiftes 4 ist nach Art eines Kugelgelenkes 7 radial gefesselt, jedoch in axialer Richtung verschieblich in einer zylindrischen Führung 8 im Tastkopfgehäuse 3 gelagert.
  • Mit einer am freien Ende 9 des Taststiftes 4 angebrachten Antastkugel 10 wird in bekannter Weise ein Werkstück 11 in Pfeilrichtung angetastet. Im Moment des Kontaktes zwischen Antastkugel 10 und Werkstück 11 wird der Taststift 4 geringfügig ausgelenkt. Unmittelbar durch die Auslenkung des Taststiftes 4 verschiebt sich der Taststift 4 entlang der Mantellinie eines Konus 12 in einer Bohrung 13 des Tastkopfgehäuses 3. Diese Verschiebung bewirkt für das andere Ende 6 des Taststiftes 4 eine axiale Hubbewegung, da dieses Ende 6 in der zylindrischen Führung 8 radial gefesselt ist, also nur axiale Bewegungen des Taststiftes 4 möglich sind. Eine unterhalb des gefesselten Taststiftendes 6 angeordnete fotoelektrische Einrichtung 14 wertet diese axiale Hubbewegung aus. Die Auswertung erfolgt durch eine Lichtquelle 15, die durch den Taststift 4 - der einen Durchbruch 16 mit einer Zylinderlinse 17 aufweist - ein Differential-Fotoelement 18 auf der anderen Seite des Taststiftes 4 beleuchtet. Durch die Linse 17 wird das Differential-Fotoelement 18 genau symmetrisch beleuchtet. Bei der geringsten Auslenkung des Taststiftes 4 verändert sich die Beleuchtungssymmetrie, und das Differential-Fotoelement 18 erzeugt eine Ausgangssignalveränderung, die durch eine elektronische Auswerte-Einrichtung als Auslösesignal erkannt wird. Dieses Auslösesignal kann in bekannter Weise zum Steuern eines Messwertzählers benutzt werden, beispielsweise zum Stoppen oder zum Übertragen des Messwertes in einen Speicher.
  • Es spielt dabei keine Rolle, ob der Taststift 4 in axialer Richtung oder in einer dazu rechtwinklig verlaufenden Ebene ausgelenkt wird, da jede Auslenkbewegung in eine axiale Hubbewegung am radial gefesselten Taststiftende 6 umgesetzt wird.
  • Wenn der Kontakt zwischen Taststift 4 und Werkstück 11 wieder aufgehoben wird, stellt sich unter der Wirkung der Rückstellkraft der Feder 5 der Taststift 4 in seine Nullage. Die präzise definierte Nullage wird durch den Kegel 12 in der Bohrung 13 in allen drei Koordinatenrichtungen gewährleistet. Der Kegel 12 zentriert den Taststift 4 und legt auch in der Z-Richtung die exakte Position der Antastkugel 10 in bezug auf die Taststiftlage im Tastkopfgehäuse 3 fest.
  • Eine in Figur 1 gezeigte Verdrehsicherung 19 verhindert die Drehung des Taststiftes 4 im Tastkopfgehäuse 3.
  • Der Taststift 4 kann mit einem anderen rotationssymmetrischen Formteil versehen werden, beispielsweise mit einem zylindrischen Ansatz 20. Die den Kegelmantel 21 erzeugende Gegenfläche müsste dann im Tastkopfgehäuseboden 3' vorgesehen sein, wie in Figur 3 gezeigt ist.
  • In Figur 4 wird eine weitere Variante des Tastkopfes gemäss Figur 1 gezeigt. Die im wesentlichen gleichen Elemente sind durch gleiche Bezugszeichen mit der ergänzenden Kennziffer «4» bezeichnet. Die Formteile zur Umsetzung der radialen Auslenkung des Taststiftes 44 in eine axiale Richtung und zur räumlichen Zentrierung des freien Taststiftendes 94 sind hier durch einen sphärischen Ansatz 124 dargestellt. Dieser Ansatz 124 liegt auf einer Anzahl von Kugeln 134 auf, die gleichmässig über den inneren Umfang des Tastkopfgehäuses 34 ringförmig verteilt sind.

Claims (2)

1. Mehrkoordinaten-Tastkopf (1) mit einem im Tastkopfgehäuse (3) gelagerten, eine definierte Nullage einnehmenden, jedoch in mehrere Richtungen auslenkbaren Taststift (4), mit Flächen zur koaxialen Führung eines radial gefesselten Taststiftendes (6), sowie mit einem rotationssymmetrischen Formteil (12) am Taststift (4), das im Zusammenwirken mit einem korrespondierenden Formteil (13) am Tastkopfgehäuse (3) die räumliche Zentrierung des freien Taststiftendes (9) in der vorgenannten Nullage und die Umsetzung der Auslenkung des freien Taststiftendes (9) in eine axiale Richtung bewirkt, wobei unmittelbar im Bereich des radial gefesselten Taststiftendes (6) eine ein Auslenkungssignal erzeugende Einrichtung (14) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Formteile (12, 13) als Kombination von Kegelstumpf (12) und Bohrung (13) ausgebildet sind, dass die Einrichtung (14) fotoelektrisch arbeitet und mittels eines abbildenden Elementes (17) gesteuert wird, das integraler Bestandteil des Taststiftes (4) ist.
2. Mehrkoordinaten-Tastkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die fotoelektrische Einrichtung (14) mit einer Zylinderlinse als dem optisch abbildenden Element (17) eine Leuchtdiode als Lichtsender (15) und ein Differential-Fotoelement als lichtempfindliches Element (18) umfasst.
EP83106421A 1982-08-12 1983-07-01 Mehrkoordinaten-Tastkopf Expired EP0103089B1 (de)

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